Redshift Surveys and Mapping the Universe

红移勘测和宇宙测绘

绘制数百万星系以理解大尺度结构、宇宙流动和膨胀

红移巡天的重要性

几个世纪以来，天文学主要将天体作为二维天空上的点进行编目。第三维度——距离，直到现代才得以揭示。正如哈勃定律所示，星系的后退速度 (v) 大致与其距离 (d) 成正比（尤其在低红移时），测量星系的红移（其谱线的偏移）成为衡量宇宙距离的实用方法。通过系统地收集大量星系的红移数据，我们获得了宇宙结构的三维地图——包括细丝、星系团、空洞和超星系团。

这些大规模巡天构成了当今观测宇宙学的基石。它们揭示了由暗物质和原始密度波动塑造的宇宙网，并帮助测量宇宙的流动、膨胀历史以及宇宙的几何结构和组成。下面，我们将介绍红移巡天的工作原理、发现以及它们在确定关键宇宙学参数（暗能量、暗物质含量、哈勃常数等）中的作用。

2. 红移与宇宙学距离基础

2.1 红移定义

星系的红移 (z) 定义为：

z = (λ观测 - λ发射) / λ发射,

表示其光谱特征向更长波长的偏移程度。对于近邻星系，z ≈ v/c，连接速度 (v) 和光速 (c)。更远处，宇宙膨胀使直接的速度解释变得复杂，但我们仍依赖 z 作为衡量自光子发射以来宇宙膨胀程度的指标。

2.2 哈勃定律及其延伸

在低红移（z ≪ 1）时，哈勃定律表明 v ≈ H0 d。因此，基于红移的速度可以得到距离近似 d ≈ (c/H0) z。在更高红移时，人们采用完整的宇宙学模型（例如 ΛCDM）将 z 与共动距离联系起来。红移巡天因此依赖于测量光谱，识别已知谱线（如氢巴尔末线、[O II] 等），并将红移转换为距离，以构建星系的三维地图。

3. 红移巡天的历史演变

3.1 CfA 红移巡天

最早的大型红移巡天之一是天体物理中心（CfA）巡天（1970年代至1980年代），收集了数千个星系红移。所得二维“楔形”图显示了墙状结构和空洞，包括著名的“巨墙”。这些结构表明星系分布远非均匀，揭示了约100兆秒差距尺度上的大尺度结构。

3.2 二度视场（2dF）与2000年代初

2000年代初，二维视场星系红移巡天（2dFGRS）使用澳英望远镜上的2dF多纤维光谱仪，测量了约22万个红移，红移范围达z ∼ 0.3。该巡天在星系相关函数中稳健地探测到了重子声波振荡（BAO），精确了物质密度估计。它还以前所未有的细节绘制了大型空洞、细丝和大尺度流动。

3.3 SDSS：一项革命性的目录

2000年启动的斯隆数字巡天（SDSS）使用专用的2.5米望远镜，配备广域CCD成像和多纤维光谱仪。经过多个阶段（SDSS-I、II、III、IV），收集了数百万星系光谱，覆盖了北天大量区域。子项目包括：

  • BOSS（重子声波振荡光谱调查）：约150万发光红星系，将BAO探测推向高精度。
  • eBOSS：利用发射线星系、类星体和Lyα森林将BAO测量扩展到更高红移。
  • MaNGA：对数千个星系进行详细的积分场光谱观测。

SDSS的影响巨大：首次以三维揭示宇宙网，精细测定星系聚类的功率谱，并通过强有力证据确认ΛCDM参数及暗能量存在[1,2]。

3.4 DESI、Euclid、Roman及未来任务

DESI（暗能量光谱仪）于2020年启动，目标测量约3500万星系/类星体的红移，红移范围最高达3.5，彻底革新宇宙制图。未来任务包括：

  • Euclid（ESA）目标是进行广域成像和光谱测量，红移范围可达约z ∼ 2。
  • 南希·格雷斯·罗曼太空望远镜（NASA）也将以近红外波段绘制大面积区域，测量BAO和弱引力透镜。

结合强度测绘阵列（用于21厘米线的SKA），这些项目将推动大尺度结构测量进入新的红移范围，进一步限制暗能量和宇宙膨胀历史。

4. 大尺度结构：宇宙网

4.1 细丝和节点

红移调查显示了纤维：长达数十至数百Mpc的细长结构，连接密集的“节点”或星团。纤维交汇处是密度最高的星系环境——星团，而超星团则形成更大、松散结合的结构。纤维中的星系可沿特征流动，将物质输送至星团节点。

4.2 空洞

纤维之间是空洞：大尺度低密度区域，缺乏明亮星系。空洞可达约10–50 Mpc甚至更大，虽然占据大部分宇宙体积，但星系稀少。绘制空洞有助于测试暗能量，因为这些较空旷区域的膨胀速度可能略快，提供对宇宙流动和引力的互补约束。

4.3 宇宙织锦

纤维、星团、超星团和空洞共同构成了一个网络——由暗物质N体模拟预测的“泡沫状”结构。观测证实，暗物质提供了基础的引力骨架，而重子物质（恒星、气体）则描绘了该结构。红移调查使这一宇宙网络在视觉和定量上得以显现。

5. 红移调查中的宇宙学

5.1 相关函数与功率谱

一个关键工具是描述距离r处星系对过剩概率的两点相关函数ξ(r)。我们还研究傅里叶空间中的功率谱P(k)。P(k)的形状揭示物质密度、重子分数、中微子质量尺度和初始涨落谱。结合CMB数据可精确拟合ΛCDM模型。

5.2 重子声波振荡（BAO）

星系聚类的主要特征之一是BAO信号——相关函数中约100–150 Mpc尺度上的微弱峰值。由于该尺度源自早期宇宙物理学，是测量宇宙距离与红移关系的“标准尺”。通过比较测得的BAO尺度与预测的物理大小，我们推导出哈勃参数H(z)。这有助于约束暗能量的状态方程、几何形状和宇宙膨胀历史。

5.3 红移空间畸变（RSD）

星系沿视线方向的奇异速度引起“红移空间畸变”，在相关函数中产生各向异性。RSD编码了宇宙结构的增长率，从而检验引力是标准的（GR）还是被修正的。迄今为止观测到的RSD数据与GR预测高度一致，但正在进行和未来的调查将提高精度，若出现新物理，可能检测到微小偏差。

6. 宇宙流动测绘

6.1 特殊速度与本地星系群运动

除了哈勃流，星系还具有来自局部质量集中区的特殊速度，如室女座星团、大吸引子。结合红移和独立距离指标（Tully–Fisher关系、超新星、表面亮度波动）的测量可以获得这些速度场。所得“宇宙流动图”显示约100兆秒差距尺度上数百公里每秒的整体流动。

6.2 大尺度流动争议

一些分析声称大尺度流动超过ΛCDM预期，尽管系统误差仍存在。澄清这些宇宙流动为暗物质分布和可能的新引力效应提供了另一种手段。红移测量与稳健距离测量的协同作用持续完善宇宙速度图。

7. 克服挑战与系统误差

7.1 选择函数与完整性

红移测量中的星系通常受限于视星等或颜色选择。选择或目标完整性的变化会导致测得的聚类偏差。测量团队会仔细建模天空区域的完整性，并校正径向选择效应（距离越远，暗弱星系越少）。这确保最终的相关函数或功率谱不会被人为扭曲。

7.2 红移误差与光度测量方法

光谱红移的精度可达 Δz ≈ 10-4。但大型光度测量调查（如暗能量测量、LSST）依赖宽带滤光片，红移误差约为 Δz ≈ 0.01–0.1。虽然光度红移允许极大样本量，但沿视线方向的不确定性增加。基于聚类的红移校准或与光谱样本的交叉相关等方法有助于减轻这些不确定性。

7.3 非线性演化与星系偏差

在小尺度上，星系聚类变得强烈非线性，红移空间中出现“上帝之指”效应，并且合并带来复杂性。此外，星系并不完美地追踪暗物质；存在一个依赖环境和类型的“星系偏差”因子。通常通过精确建模或关注大尺度（线性近似成立的区域）来可靠地提取宇宙学信息。

8. 最新和未来的红移测量

8.1 DESI

位于基特峰Mayall 4米望远镜上的暗能量光谱仪（DESI）于2020年开始观测，目标采集3500万星系和类星体光谱。配备5000个机器人光纤定位器，每次曝光可测量数千个红移，覆盖z ∼ 0.05–3.5。DESI前所未有的样本将精细化多个时期的BAO距离测量，确定宇宙膨胀和结构增长，并为星系演化研究提供宝贵数据。

8.2 Euclid与Nancy Grace Roman空间望远镜

欧洲航天局的Euclid和美国宇航局的Roman空间望远镜将在2020年代末结合近红外成像和光谱测量，绘制数十亿星系至z ∼ 2。它们将测量弱引力透镜和BAO，为暗能量、潜在宇宙曲率和中微子质量提供有力约束。同时，与地面光谱仪和未来强度测绘阵列（如SKA的21厘米线）协同，将进一步扩大观测宇宙体积。

8.3 21厘米强度测绘

一种新兴技术是21厘米强度测绘，测量大尺度HI发射而不解析单个星系。CHIME、HIRAX和SKA等阵列可在中性氢中绘制更高红移的BAO信号，连接再电离时代。这种方法提供了除光学/红外红移测量外的另一条宇宙膨胀约束路径，尽管校准仍具挑战。

9. 更广泛的影响：暗能量、哈勃张力及更多

9.1 暗能量状态方程

结合不同红移下的BAO距离尺度、z = 1100处的CMB锚点和低红移超新星数据，提供了膨胀历史H(z)。这决定了暗能量是否真的是一个宇宙常数（w = -1），或随时间变化。迄今为止，尚无强有力证据表明w ≠ -1，但改进的BAO数据可能揭示细微偏差。

9.2 哈勃张力

一些局部距离阶梯测量的H0值比Planck + BAO拟合的约67–68 km/s/Mpc高出4–5σ。这种“哈勃张力”可能反映系统误差或新物理（例如早期暗能量）。来自DESI、Euclid等的更精确BAO测量将进一步澄清中等红移下的宇宙膨胀，可能缓解或加剧这一张力。

9.3 星系演化

红移测量还支持星系演化研究：恒星形成历史、形态转变、环境依赖性。通过比较宇宙时间尺度上的星系属性，我们洞察了熄火、合并和气体流入如何塑造星系群体分布。宇宙网环境（细丝与空洞）影响这些过程，将小尺度星系演化与大尺度结构联系起来。

10. 结论

红移调查是观测宇宙学的重要工具，提供数百万星系的三维地图。这种三维视角揭示了宇宙网——细丝、星系团和空洞——并提供了大尺度结构的可靠测量。关键突破包括：

  • 重子声学振荡（BAO）：宇宙距离的标准尺，限制暗能量性质。
  • 红移空间畸变：评估结构增长和引力。
  • 星系流动与环境：追踪宇宙速度场，环境驱动的演化。

从CfA到2dF、SDSS和BOSS/eBOSS的主要调查通过详细捕捉宇宙网验证了ΛCDM模型。下一代项目——DESI、Euclid、Roman、21厘米测绘——有望扩大红移覆盖范围，提升BAO距离测量精度，并可能解决哈勃常数的矛盾或发现新物理。因此，红移调查仍处于精密宇宙学的前沿，揭示宇宙大尺度结构的演化及暗物质和暗能量驱动的宇宙膨胀机制。

参考文献与延伸阅读

  1. de Lapparent, V., Geller, M. J., & Huchra, J. P. (1986)。 “宇宙的一片切片。” 天体物理学快报, 302, L1–L5。
  2. Eisenstein, D. J., 等 (2005)。 “在SDSS明亮红色星系的大尺度相关函数中检测到重子声学峰。” 天体物理学杂志, 633, 560–574。
  3. Cole, S., 等 (2005)。 “2dF星系红移调查：最终数据集的功率谱分析及其宇宙学意义。” 皇家天文学会月刊, 362, 505–534。
  4. Alam, S., 等 (2021)。 “完成的SDSS-IV扩展重子振荡光谱调查：二十年光谱调查的宇宙学意义。” 物理评论D, 103, 083533。
  5. DESI合作组：desi.lbl.gov（访问于2023年）。

 

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